Układy wtryskowe w dieslach. Konstrukcja, zalety i wady

Dariusz Dobosz
Silnikom wysokoprężnym, w przeciwieństwie do benzynowych, wtrysk paliwa towarzyszył od samego początku. Zmieniały się tylko systemy wtrysku, osprzęt i ciśnienie podawanego do cylindrów paliwa.
Fot. Newspress
Fot. Newspress

Zasada pracy silnika wysokoprężnego, zwanego powszechnie silnikiem diesla, jest zupełnie inna od zasady pracy silnika benzynowego. W benzynowcach do komory spalania nad tłokiem trafia mieszanka paliwowo-powietrzna. Po sprężeniu mieszanki następuje jej zapłon, inicjowany przeskokiem iskry elektrycznej na elektrodach świecy zapłonowej. To dlatego o benzynowych jednostkach napędowych mówi się również silniki z zapłonem iskrowym (ZI).

W dieslach tłok spręża w komorze spalania wyłącznie powietrze, które pod wpływem ogromnego ciśnienia (przynajmniej 40 barów – stąd nazwa „wysokoprężne”) nagrzewa się do temperatury rzędu 600-800ºC. Wtryśnięcie paliwa w tak mocno rozgrzane powietrze skutkuje natychmiastowym samozapłonem paliwa w komorze spalania. Z tego względu wysokoprężne jednostki napędowe nazywane są również silnikami o zapłonie samoczynnym (ZS). Od samego początku były one zasilane poprzez wtrysk paliwa do komory spalania, nigdy poprzez wtrysk do kolektora dolotowego, którym dostarczane jest do silnika wyłącznie powietrze. W zależności od tego, czy komora spalania była dzielona czy nie dzielona silniki wysokoprężne zostały podzielone na jednostki napędowe z wtryskiem pośrednim lub bezpośrednim.


Fot. Newspress
Fot. Newspress

Wtrysk pośredni

Co prawda silnik wysokoprężny zadebiutował z systemem wtrysku bezpośredniego, ale wykorzystywał go krótko. Takie rozwiązanie sprawiało zbyt wiele problemów i w motoryzacji zostało zastąpione wtryskiem pośrednim opatentowanym w 1909 r. Wtrysk bezpośredni pozostał w dużych silnikach stacjonarnych i okrętowych, a także w części ciężarówek. Konstruktorzy aut osobowych woleli diesle z wtryskiem pośrednim, o miękkiej pracy i mniejszej hałaśliwości.

Określenie „pośredni” w dieslu oznacza coś zupełnie innego niż w przypadku silników benzynowych, w których wtrysk pośredni polega na wprowadzeniu mieszanki paliwowo-powietrznej do kolektora dolotowego. W dieslu z wtryskiem pośrednim, tak jak w konstrukcjach z wtryskiem bezpośrednim, paliwo rozpylone przez wtryskiwacz również trafia do komory spalania. Tyle, że podzielonej na dwie części – pomocniczą, do której wtryskiwane jest paliwo i zasadniczą, czyli przestrzeń bezpośrednio nad tłokiem, w której następuje zasadniczy proces spalania paliwa. Komory połączone są ze sobą kanałem lub kanałami. Ze względu na kształt i funkcje komory dzieli się na wstępne, wirowe i z zasobnikiem powietrza.

Te ostatnie można pominąć, bowiem praktycznie zaprzestano ich produkcji. W przypadku komór wstępnych i wirowych wtryskiwacz zamontowany jest przy komorze pomocniczej i do niej wtryskuje paliwo. Tam następuje zapłon, po czym częściowo spalone paliwo trafia do komory zasadniczej i tam ulega dopaleniu. Diesle z komorami wstępnymi lub wirowymi pracują miękko i mogą mieć lekkie układy korbowe. Nie są wrażliwe na jakość paliwa i mogą mieć wtryskiwacze o prostej konstrukcji. Mają jednak mniejszą sprawność niż diesle z wtryskiem bezpośrednim, zużywają więcej paliwa i wykazują problemy z rozruchem zimnego silnika. Diesle z wtryskiem pośrednim są dzisiaj swego rodzaju reliktem przeszłości w autach osobowych i wychodzą z produkcji. W nowoczesnych samochodach, oferowanych obecnie na rynku są rzadkością. Można znaleźć je tylko w takich konstrukcjach jak indyjskie Hindustan i Tata, rosyjski UAZ, starej generacji Mitsubishi Pajero sprzedawany w Brazylii czy Volkswagen Polo oferowany w Argentynie. W znacznie większej liczbie funkcjonują w autach z rynku wtórnego.


Fot. Newspress
Fot. Newspress

Wtrysk bezpośredni

Od niego wszystko się zaczęło. Początkowo jednak nie potrafiono wykorzystać zalet wtrysku bezpośredniego. Nie znano znaczenia odpowiedniego zawirowania paliwa i jego spalanie nie przebiegało w sposób optymalny. Powstawały skupiska paliwa, co sprzyjało tworzeniu się nagaru. Procesy nad tłokiem następowały zbyt gwałtownie, silniki pracowały twardo, szybko niszcząc łożyskowanie wału korbowego. Dlatego zrezygnowano z wtrysku bezpośredniego, skłaniając się ku wtryskowi pośredniemu.

Powrót do korzeni, ale już w nowoczesnym wydaniu, nastąpił dopiero w 1987 r., gdy do seryjnej produkcji wszedł Fiat Croma 1.9 TD. Bezpośredni wtrysk paliwa wymaga sprawnej aparatury wtryskowej, wysokiego ciśnienia wtrysku, dobrej jakości paliwa i bardzo solidnego (a więc ciężkiego) układu korbowego. Zapewnia jednak wysoką sprawność oraz łatwe uruchamianie zimnego silnika. Współczesne rozwiązania silników wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim opierają się głównie na zupełnie płaskich głowicach i tłokach z odpowiednio ukształtowanymi komorami (wnękami). Komory odpowiedzialne są za odpowiednie zawirowanie paliwa. Wtrysk bezpośredni stosowany jest dzisiaj powszechnie w wysokoprężnych silnikach samochodów osobowych.


Fot. Newspress
Fot. Newspress

Wtrysk bezpośredni – pompowtryskiwacze

W tradycyjnych silnikach wysokoprężnych za podawanie paliwa odpowiedzialne są różnego rodzaju pompy. W pionierskich czasach paliwo wtryskiwano przy pomocy sprężonego powietrza, w latach 20. robiły to przerobione pompy oleju. W latach trzydziestych powszechnie stosowano już specjalne pompy dedykowane dieslom. Początkowo bazowano na pompach szeregowych, wytwarzających niewielkie ciśnienia (do 300 barów). Dopiero w latach 60. pojawiły się bardziej wydajne, osiowe pompy rozdzielaczowe (ponad 1000 barów). W połowie lat siedemdziesiątych zyskały mechaniczną kontrolę wtrysku, a połowie lat 80. elektroniczną (BMW 524td, 1986 r.).

Nieco innym sposobem realizowania wtrysku paliwa były pompowtryskiwacze, stosowane w ciężarówkach już w latach 30. W autach osobowych wykorzystał je powszechnie koncern Volkswagena, po raz pierwszy w 1998 r. (Passat B5 1.9 TDI). Pompowtryskiwacz w największym skrócie to wtryskiwacz z własną pompą, odbierającą napęd od wałka rozrządu. Cały proces tworzenia ciśnienia i realizowania wtrysku do cylindra zamyka się zatem w obrębie głowicy. System jest bardzo zwarty, nie ma przewodów paliwowych łączących pompę z wtryskiwaczami. Nie ma zatem zjawiska pulsowania przewodów, utrudniającego regulowanie dawki paliwa, i wycieków. Ponieważ paliwo częściowo odparowuje w komorze pompowtryskiwacza kąt wyprzedzenia wtrysku może być mały (łatwość rozruchu). Najważniejsze jest jednak bardzo wysokie ciśnienie wtrysku, sięgające 2000-2200 barów. Dawka paliwa w cylindrze szybko miesza się z powietrzem i spala się bardzo sprawnie.

Generalnie diesel z pompowtryskiwaczami charakteryzuje się wysoką sprawnością, niskim zużyciem paliwa, szybkobieżnością i możliwością uzyskiwania wysokich mocy jednostkowych. Ale silnik z pompowtryskiwaczami jest drogi w produkcji, głównie ze względu na dużą komplikację głowicy. Jego praca jest twarda i głośna. Przy zasilaniu pompowtryskiwaczami powstają też problemy z toksycznością spalin, co walnie przyczyniło się do rezygnacji koncernu VW z tego rozwiązania.


Fot. Newspress
Fot. Newspress

Wtrysk bezpośredni – Common rail

Najważniejszym elementem systemu wtrysku zwanego powszechnie Common-rail jest „wspólna szyna”, czyli rodzaj zasobnika zwanego też „ciśnieniowym akumulatorem paliwa”, do którego pompa tłoczy olej napędowy. Trafia on do wtryskiwaczy nie bezpośrednio z pompy ale właśnie z zasobnika, przy zachowaniu tego samego ciśnienia dla każdego cylindra.

Obrazowo można powiedzieć, że każdy z wtryskiwaczy nie czeka na dawkę paliwa z pompy, ale cały czas ma do dyspozycji paliwo pod bardzo wysokim ciśnieniem. Wystarczą elektryczne impulsy, uruchamiające wtryskiwacze, by paliwo trafiło do komór spalania. Taki system umożliwia tworzenie wtrysków wielofazowych (nawet 8 faz dla jednego wtrysku), co procentuje bardzo dokładnym spaleniem paliwa przy stopniowym narastaniu ciśnienia. Bardzo wysokie ciśnienie wtrysku (1800 bar) umożliwia z kolei zastosowanie wtryskiwaczy o bardzo małych otworach, podających paliwo praktycznie w formie mgły.

To wszystko składa się na wysoką sprawność silnika, miękką pracę i małą hałaśliwość (mimo wtrysku bezpośredniego), dobrą elastyczność i niską zawartość substancji toksycznych w spalinach. Silniki z zasilaniem Common-rail wymagają jednak stosowania paliwa o najwyższej jakości oraz najlepszych filtrów. Zanieczyszczenia obecne w paliwie mogą zniszczyć wtryskiwacze i doprowadzić do awarii, której usunięcie będzie niezwykle kosztowne.

od 12 lat
Wideo

Aktywiści znaleźli sposób na pozbycie się samochodów w miastach.

Dołącz do nas na Facebooku!

Publikujemy najciekawsze artykuły, wydarzenia i konkursy. Jesteśmy tam gdzie nasi czytelnicy!

Polub nas na Facebooku!

Kontakt z redakcją

Byłeś świadkiem ważnego zdarzenia? Widziałeś coś interesującego? Zrobiłeś ciekawe zdjęcie lub wideo?

Napisz do nas!

Polecane oferty

Materiały promocyjne partnera

Komentarze

Komentowanie artykułów jest możliwe wyłącznie dla zalogowanych Użytkowników. Cenimy wolność słowa i nieskrępowane dyskusje, ale serdecznie prosimy o przestrzeganie kultury osobistej, dobrych obyczajów i reguł prawa. Wszelkie wpisy, które nie są zgodne ze standardami, proszę zgłaszać do moderacji. Zaloguj się lub załóż konto

Nie hejtuj, pisz kulturalne i zgodne z prawem komentarze! Jeśli widzisz niestosowny wpis - kliknij „zgłoś nadużycie”.

Podaj powód zgłoszenia

Nikt jeszcze nie skomentował tego artykułu.
Wróć na motofakty.pl Motofakty